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活體近紅外光學成像系統(tǒng)

IN VIVO OPTICAL IMAGING

1.1體內(nèi)熒光成像系統(tǒng)

基本原理

1. 熒光探針通過尾靜脈注射或者口服的方式進入小動物體內(nèi)；

2. 激發(fā)光源照射小動物,，熒光探針發(fā)出熒光,；

3. 熒光經(jīng)過濾光片和鏡頭進入檢測器，信號給到電腦進行成像,。

1.2體內(nèi)熒光壽命成像系統(tǒng)

近紅外熒光壽命成像系統(tǒng)

基本原理

1. 基于熒光成像系統(tǒng),，控制激光器與檢測器的時間同步；

2. Labview編程,，設(shè)置采集參數(shù),，進行數(shù)據(jù)采集；

3. 同時,，在Labview軟件上進行數(shù)據(jù)處理,，得到*終壽命成像結(jié)果。

2. 光學和性能

檢測器：InAsGa CCD,，-55℃,，-65℃，-85℃和-190 ℃四款相機可選,。配有接口轉(zhuǎn)接環(huán),，方便C口鏡頭隨意切換。

2.1 高靈敏檢測器 CCD參數(shù)

* 制冷溫度越低,，暗電流越小,，靈敏度越高，越適合弱信號的采集

2.2 電腦自動化調(diào)焦和移動樣品

相機鏡頭,，激發(fā)光源和集成模塊

1. 成像視野200mm * 200 mm可調(diào)（購買的鏡頭）和20 mm ~ 20 mm可調(diào)（自制的鏡頭）,；

2. 高透波段900 nm ~ 1700 nm;

3. 激光器808 nm，980 nm及1064 nm等波長功率可選,；

4. 濾光片波長及尺寸可選;

5. 電控調(diào)焦及電控移動樣品,，更便于操作；

6. 多光束集成裝置,，滿足多光源激發(fā)和切換,。

下圖：不同熒光波段下，活體腿部血管的成像效果,。

下圖：雙鏡頭切換使用,，滿足不同成像視野需求。激發(fā)光源便捷切換,，電動調(diào)焦和移動樣品,。

2.3 先進的樣品處理裝置

麻醉系統(tǒng)和溫度調(diào)節(jié)裝置

1. 提供氣體麻醉裝置，可持續(xù)長久的麻醉小動物，保持實驗過程中小動物的相對靜止,；

2. 控溫平臺保證小動物（特別是裸鼠等）體溫正常,，盡量減小實驗室低溫環(huán)境對實驗數(shù)據(jù)的影響。

下圖：配有麻醉裝置,、控溫平臺

2.4 多功能一體化數(shù)據(jù)采集和處理軟件

1. 熒光成像用的是PI的LightFiled軟件 ,，可自動或手動獲取圖片；也可以制作成視頻,；圖片可疊加強度,，也可以取平均強度；可進行TTL調(diào)制,；與Labview和Matlab等編程軟件無縫連接,；

2. 熒光壽命成像用的是自主用編寫的Labview工作界面，具有獨立版權(quán),。從采集的參數(shù)設(shè)置,，到焦點調(diào)節(jié)，以及*后壽命成像的數(shù)據(jù)處理,，閾值調(diào)整等,，皆可實現(xiàn)。

3. 所有結(jié)果都可以后期用Matlab處理了,。

下圖：熒光成像使用LightFiled

下圖：熒光壽命成像使用Labview

3. 基于熒光成像的研究案例

★應用案例 1近紅外成像指導外科手術(shù)

利用該熒光成像系統(tǒng)和相應的近紅外二區(qū)發(fā)射的熒光探針,，實現(xiàn)對小鼠的近紅外成像指導的外科手術(shù)?？勺R別并切除 <1 mm的腫瘤,。

探針材料:NaGdF₄:5%Nd@NaGdF₄

激發(fā)光源：808 nm laser

參考文獻：Wang， P.; Fan,， Y.; Lu,， L.; Liu， L.;Fan,， L.; Zhao， M.; Xie,， Y.; Xu,， C.; Zhang， F.,，Nat. Commun.2018,，9(1)， 2898.

下圖：DCNPs稀土納米顆粒表面修飾DNA和目標多肽,，可在腫瘤位置持久停留（長達6h）,，對其進行光學成像，利于卵巢癌轉(zhuǎn)移瘤切除的外科手術(shù)。

下圖：對比于近紅外一區(qū)發(fā)射的熒光探針（ICG）,，1060 nm發(fā)射的稀土納米顆粒,，具有更高的光學穩(wěn)定性和更深的模擬組織穿透深度。

★應用案例 2活體腸胃藥物釋放監(jiān)控

利用該熒光成像系統(tǒng)和巧妙設(shè)計的競爭吸收近紅外發(fā)射熒光探針,，實現(xiàn)對活體的腸胃藥物釋放過程的實時動態(tài)監(jiān)控,，并進行半定量的檢測。

探針材料:NaGdF₄:5%Nd@NaGdF₄

激發(fā)光源：808 nm laser.

參考文獻： Wang,， R.; Zhou,， L.; Wang， W.; Li,， X.;Zhang,， F.，Nat. Commun.2017,，8(1),， 1038.

下圖：在pH大于等于8時， SSPI分散開來,，染料及藥物釋放出來,，730 nm激發(fā)載體，再次發(fā)射出1060 nm的熒光,。根據(jù)熒光強度的恢復大小定量藥物的釋放量,。808 nm激發(fā)用于跟蹤藥物。

下圖：合成材料的電鏡圖設(shè)計微米尺寸載體：稀土納米顆粒靜電吸附于表面,，介孔通道中載有連接藥物的NPTAT染料,。稀土顆粒可以被730 nm和808 nm激發(fā)產(chǎn)生1060 nm的熒光,，染料在730 nm處也有吸收,。由于染料具有極大的吸收截面，微米載體在730 nm激發(fā)下,，無法產(chǎn)生1060 nm發(fā)射,。載體表面有pH響應SSPI用于保護介孔通道中的染料不會釋放出去。

★應用案例 3：活體炎癥成像和檢測

利用該熒光成像系統(tǒng)和炎癥響應性的近紅外二區(qū)探針,，可以實現(xiàn)活體中活性氧物種的高信噪比成像和高精確性的檢測,。

探針材料:NaGdF₄:5%Nd@NaGdF₄

激發(fā)光源：808 nm laser.

參考文獻：Zhao， M.; Wang,， R.; Li,， B.; Fan， Y.;Wu,， Y.; Zhu,， X.; Zhang,， F.，Angew. Chem. Int. Ed.2018,， 58,， 2050-5054.

下圖：DCNPs稀土納米顆粒表面修飾生物內(nèi)源性的物種GSH，GSH遇到活性氧之后,，會發(fā)生偶聯(lián)反應,，誘發(fā)納米顆粒聚集。達到點亮活性氧富集的部位,。

下圖：透射電鏡表征單分散納米顆粒在體外遇到活性氧,，發(fā)生強烈的偶聯(lián)反應，形成二硫鍵,，導致顆粒聚集,。

★應用案例 4：活體深組織成像監(jiān)控心率

近紅外二區(qū)成像得到更高分辨率的血管成像；更高的成像分辨率和更深組織穿透深度,，可以對活體心率進行準確的監(jiān)控和測試,。

探針材料：FD-1080

激發(fā)光源：1064 nm laser.

參考文獻：Li， B.; Lu,， L.; Zhao,， M.; Lei， Z.;Zhang,， F.,， Angew. Chem. Int. Ed. 2018， 57 (25),， 7483-7487.

下圖：**設(shè)計合成近紅外二區(qū)激發(fā)和發(fā)射的小分子探針,，相對于ICG，該探針具有更高的穩(wěn)定性

下圖：由于長波長熒光具有低的散射,，從體外成像深度和分辨率的結(jié)果看,，波長越長，成像的穿透深度和分辨率越高,。

★應用案例 5：評估臨床藥物的療效

臨床前藥物的藥理評估對藥物的推廣和療效評價非常重要,。利用近紅外活體熒光成像系統(tǒng)實現(xiàn)對降血壓藥物的動力學藥理評估和監(jiān)控。

探針材料：FD-1080 and DMPC

激發(fā)光源：1064 nm laser.

參考文獻：Sun,， C.; Li,， B.; Zhao， M.; Wang,， S.;Lei， Z.; Lu,， L.; Zhang,， H.; Feng， L.; Dou， C.; Yin,， D.; Xu,， H.; Cheng， Y.;Zhang,， F.,， J. Am. Chem. Soc. 2019， 141 (49),， 19221-19225.

下圖：FD-1080與DMPC混合重組裝,，形成J聚集體，染料的吸收和發(fā)射主峰都紅移到1300 nm之后,。實現(xiàn)有機染料的長波長激發(fā)和發(fā)射,。

下圖：波長越長，光子的散射越小,，通過體外實驗,，對比不同成像窗口，發(fā)現(xiàn)1500nm之后成像的分辨率**,。

★應用案例 6：活體胃酸檢測

設(shè)計高亮的抗淬滅長波長發(fā)射有機探針,，利用其pH相應的特性，通過比例熒光實現(xiàn)對胃酸的高精確檢測,。

探針材料：BTC系列探針

激發(fā)光源：1064 nm laser.

參考文獻： Wang,， S.; Fan， Y.; Li,， D.; Sun,， C.;Lei， Z.; Lu,， L.; Wang,， T.; Zhang， F.,， Nat. Commun. 2019,， 10 (1)， 1058.

下圖：以腈染料為基礎(chǔ)進行改造,，可以得到具有很強抗溶劑淬滅的系列BTC染料,。該染料的激發(fā)/發(fā)射波長主峰可以達到近紅外二區(qū)。同時,，由于其抗淬滅性質(zhì),，使其具有很強的熒光強度，光穩(wěn)定性也遠優(yōu)于ICG,。

下圖：對比ICG的成像效果,，BTC1070具有高分辨和高信噪比的腿部血管和淋巴成像,。

★應用案例7：監(jiān)控藥物的肝毒性

設(shè)計長波長且可調(diào)的系列近紅外探針，利用比例熒光對藥物誘導的肝毒性進行定量實時的檢測,。

探針材料：BTC系列探針

激發(fā)光源：1064 nm laser.

參考文獻： Lei,， Z.; Sun， C.; Pei,， P.; Wang,， S.;Li， D.; Zhang,， X.; Zhang,， F.，. Angew. Chem. Int. Ed. 2019,， 58 (24),， 8166-8171.

★應用案例8：腫瘤檢測

稀土離子的熒光壽命非常穩(wěn)定，幾乎不受外界環(huán)境的干擾,，也不隨活體組織的穿透深度而變化,，因此利用熒光壽命成像系統(tǒng)對生物標志物進行檢測，具有極高的穩(wěn)定性和準確性,。

探針材料：NaGdF4@NaGdF4:Yb,，Er@ NaGdF4 :Yb@ NaGdF4 :Nd

激發(fā)光源：808 nm laser.

參考文獻：Fan， Y.;Wang,， P.; Lu,， Y.; Wang， R.; Zhou,， L.; Zheng,， X.; Li， X.; Piper,， J. A.; Zhang,，F(xiàn).， Nat. Nanotechnol. 2018,， 13 (10),， 941-946.

★應用案例9：活體信息存儲和解析

將不同熒光壽命的材料編輯成二維碼，空間上重疊植入到活體皮下,。熒光成像無法解析出二維碼信息,，熒光壽命成像可以將兩種不同熒光壽命的二維碼解析出來，得到活體信息存儲和解碼的過程,。更多的熒光壽命,，實現(xiàn)更大的信息存儲。

探針材料：NaYF4:Tm,，Er@NaYF4

激發(fā)光源：1208 nmlaser.

參考文獻： Zhang,， H.X.; Fan,， Y.; Pei， P.; Sun,， C. X.; Lu， L. F.; Zhang,， F.,， Angew. Chem. Int. Ed.2019， 58 (30),， 10153-10157.

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